JP2004059935A - 鉄鋼基材の摺動面の耐焼付性向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用内燃機関のピストンピンの摺動面である外面等、機器の摺動面の耐摩耗性、耐焼付性を向上させること。
【解決手段】鉄鋼基材の摺動面を浸炭処理する第１の工程と、浸炭処理された上記摺動面にクロムメッキを施す第２の工程と、クロムメッキが施された上記摺動面に衝撃を与えて該摺動面にクロムメッキ層の微小凹部と該クロムメッキ層の剥落による比較的大きな凹部とからなる油溜り凹部を形成する第３の工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】　　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機器の鉄鋼基材の摺動面の耐摩耗性、耐焼付性を向上させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば車両用内燃機関のピストンピンは、ピストンやコンロッドに軸受ブッシュを介して嵌合される場合もあるが、部品点数を減らすとともにブッシュ圧入の工数を省略するために、この軸受ブッシュを廃し、代りにピストンピン自体の耐摩耗性を向上させる方法が種々提案されている。例えばピストンピンの摺動面である表面（あるいは外側面）にクロムメッキする方法や、浸炭処理を施した後、ショットピーニングする方法が従来から行なわれていた。
【０００３】
また、クロムメッキしたシリンダやピストンリングに電解エッチングを施すことにより、溝状の油溜りを形成させて焼付きを防止する方法が、例えば特公平７−１５１５８号公報に開示されている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
クロムメッキのみが施されたピストンピンは、コンロッドに対しては耐焼付性が向上するが、ピストンに対しては標準的な浸炭されたピストンピンよりも劣ることが分っている。また浸炭とショットピーニングとを組合わせた前記従来の方法も、クロムメッキのみの場合と同等以下の耐焼付性しか得られないことが、実験データから判明した。また、油溜りを作るための電解エッチングをクロムメッキと組合わせる方法では、砥石の摩耗が激しく、加工に要する時間が長い上、周辺からの油の供給が少ないピストンピンに適用すると、溝状の油溜りへ油が逃げてしまい、油膜が切れやすいという欠点があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段および効果】
前記従来の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、鉄鋼基材の摺動面を浸炭処理する第１の工程と、浸炭処理された上記摺動面にクロムメッキを施す第２の工程と、クロムメッキが施された上記摺動面に衝撃を与えて該摺動面にクロムメッキ層の微小凹部と該クロムメッキ層の剥落による比較的大きな凹部とからなる油溜り凹部を形成する第３の工程とを含むことを特徴とする鉄鋼基材の摺動面の耐焼付性向上方法を提供する。
【０００６】
請求項１記載の発明は前記構成を有し、クロムメッキが施された摺動面に衝撃を与えることによりクロムメッキ層に形成される油溜り凹部に、油が保持されて焼付きが防止される。そして、微小凹部の油溜りには油が保持されているため、摺動初期から潤滑性に優れ、焼付きを起こし難く、また表面の摩耗により上記微小な凹部が消滅しても、クロムメッキ層の剥落により生じた比較的大きな凹部が油溜りとして残るので、耐焼付性が長期間維持される。加えて本発明では、上記比較的大きな凹部が、塑性変形ではなく剥落によって形成されるので、凸部（かえり、出張り）はほとんど生じず、したがって衝撃付与（ショットピーニング）後の仕上げ加工が不要である。
【０００７】
次に請求項２記載の発明は、前記請求項１記載の発明において、前記微小凹部の大きさが５μｍ以下であり、前記比較的大きな凹部の大きさが５μｍ〜２００μｍであることを特徴とするものである。したがって請求項２記載の発明においては、前記した発明の効果が更に確実に達成される。
【０００８】
次に請求項３記載の発明は、前記請求項１記載の発明において、前記衝撃がショットピーニングにより行われることを特徴とするものである。したがって請求項３記載の発明では、基材の摺動面に衝撃を与える工程を容易に実施することができる。
【０００９】
また請求項４記載の発明は、前記請求項３記載の発明において、前記ショットピーニングのピーニング材としてガラスビーズを用いることを特徴とするものである。したがって請求項４記載の発明では、入手容易で安価なピーニング材を利用できる。
【００１０】
さらに請求項５記載の発明は、前記請求項４記載の発明において、前記ガラスビーズの粒径が＃１２０ないし＃２４０であり、前記ショットピーニングが、空気圧４．０ないし５．０ｋｇｆ／ｃｍ^２、投射距離２０ないし５０ｍｍで行なわれることを特徴とするものである。したがって請求項５記載の発明においては、最も好ましい結果が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明が適用される車両用内燃機関のピストンピンの一例を示す縦断面図である。このピストンピン１は、長さ約５０ｍｍ、外径２０ｍｍ程度のものであり、鋼製引抜材を所定寸法に切断した後、機械加工される。鋼製引抜材としては、例えばＳＣＭ４１５（ＪＩＳ）（Ｃ：０．１３〜０．１８％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．８５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｎｉ：０．２５％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．２０％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｆｅ：残部）を用いることができる。機械加工後、さらに浸炭処理、研磨、クロムメッキ、再研磨、超仕上げの工程を順次経てから、外側の摺動面に衝撃を与える手段として、ショットピーニングがなされる。
【００１２】
図２は上記ピストンピン１にショットピーニングを施す状況を示す側面図である。数個（図示例では５個）のピストンピン１に芯棒２を通し、芯棒２と共にピストンピン１を矢印Ａで示すように一定速度で回転させる。一方、側方に配置したノズル３からピストンピン１に向かって、ピーニング材４を空気で吹付けつつ、このノズル３を矢印Ｂで示すように一定速度でピストンピン１に平行をなす上下方向に平行移動させる。こうして、ピストンピン１の外側面である摺動面のクロムメッキ層に５μｍ以下の微小凹部とそのクロムメッキ層の剥落による比較的大きな（５μｍ〜２００μｍ）凹部とを形成させる。
【００１３】
上記ショットピーニングの望ましい条件は次のとおりである。
空気圧　　　　　　４．０〜５．０　ｋｇｆ／ｃｍ^２
ピーニング材　　　ガラスビーズ　粒径　＃１２０〜２４０
（＃はメッシュで、１インチ中の目の数：＃１２０は目の間隔約０．２ｍｍ）
投射距離　　　　　２０〜５０ｍｍ
ワーク回転数　　　３５ｒｐｍ
ノズル上下速度　　２００ｍｍ／ｍｉｎ
ショット回数　　　上下１往復
【００１４】
ピーニング材として＃１２０ないし＃２４０の範囲の径の小さいガラスビーズを用いる理由は次のとおりである。すなわち、径の大きいピーニング材を用いると、ワークの摺動面である表面にかえり（出張り）が生じるので、再仕上げが必要になる。しかし径が小さいピーニング材では、ワークであるピストンピンのクロムメッキ層にぶつかった時に出張り（凸部）が生じにくく、したがってピストンピンの摺動面の再仕上げが不要となるからである。
【００１５】
本実施例では、クロムメッキが施されたピストンピンの摺動面である表面に、ショットピーニングにより衝撃を与えるので、衝撃によりクロムメッキ層に生じた比較的小さな油溜り凹部に油が保持されて焼付きが防止される。そして、微小凹部の油溜りでは摺動の初期でのなじみ性がよく、また摺動面である表面の摩耗により上記微小な凹部が消滅しても、クロムメッキ層の剥落による比較的大きな凹部が油溜りとして残るので、耐焼付性が長期間維持される。加えて本実施例では、上記比較的大きな凹部が、塑性変形ではなく剥落によって形成されるので、凸部（かえり、出張り）はほとんど生じず、したがってショットピーニング後の仕上げ加工が不要である。
【００１６】
図３（Ａ）は、本実施例の耐焼付性向上処理が施されたピストンピンの摺動面である表面の状態を示す外観写真であり、また図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の拡大外観写真である。これらの写真は、鉄鋼基材の摺動面としての表面のクロムメッキ層に、微小な凹部（ピット）とクロムメッキ層の剥落による比較的大きな凹部（欠け）とが生じている様子をよく示している。
【００１７】
上記実施例ではピーニング材としてガラスビーズを用い、空気で投射したが、クロムメッキ層に凹部を形成させるには、ガラスビーズに限らず、鋼球、セラミック、シリカによるショットや液体ホーニングにより凹凸を形成させた後、研磨や超仕上げによって凸部を除去し、凹部だけを残すこともできる。
【００１８】
次に本発明の効果を示す試験結果について述べる。図４は、ファレックス試験（Ｆａｌｅｘ　Ｍｅｔｈｏｄ）（ファビリー試験）によって焼付き発生荷重を計測した結果を示すものである。ファレックス試験は、Ｕ字状（またはＶ字状）断面形状の直線溝を有する１対のテストピース把持ブロックを、それらの溝が対向するように配設し、これらの対向溝間にテストピース（テストピン）を挿入し、対向する２つのテストピース把持ブロックによりテストピースを両側から挟圧しつつ漸次押圧荷重を増加させ、一方、テストピース（テストピン）をその軸線まわりにテストピース把持ブロックの押圧力に抗して強制的に回転させる試験方法である。テストピース（テストピン）をその軸線まわりに強制的に回転させるには、テストピース（テストピン）端部を受けてそれに強制回動力を与える回転駆動ハブとテストピース（テストピン）端部とを径方向に貫通するようにシアピンを挿通する。そして、テストピースを把持ブロックの押圧荷重に抗して強制的に回転させつつ、焼付きの発生を観察し、焼付きが発生した押圧荷重を焼付き荷重とする。
【００１９】
今回この試験に使用したＵブロック（Ｖブロック）の材質としては、ピストンの相手摺動材として車両用内燃機関のコネクティングロッドに使用される前記ＳＣＭ４１５（ＪＩＳ）材と、ピストンに使用されるアルミニウム合金であるＡ４０３２（ＪＩＳ）材（Ｓｉ：１１．０〜１３．５％、Ｆｅ：１．０％以下、Ｃｕ：０．５０〜１．３％、Ｍｇ：０．８〜１．３％、Ｃｒ：０．１０％以下、残部：アルミニウム）とを用いた。また、テストピースの基材として、ピストンピンに使用される前記ＳＣＭ４１５（ＪＩＳ）材を使用し、本発明の効果を比較検証するため、（１）浸炭のみ実施、（２）浸炭の後ショットピーニング実施、（３）浸炭の後クロムメッキ実施の３つの公知の場合を比較のために用意し、本発明の方法により（４）浸炭とクロムメッキとショットピーニングとを組合せて実施した検証品とを併せて試験に供した。なお、使用したテストピースは直径６．５ｍｍ、長さ４０ｍｍであった。
【００２０】
この図から分るとおり、ＳＣＭ４１５（ＪＩＳ）材では、浸炭・クロムメッキ・ショットピーニングを組合わせた上記（４）の本発明の方法は、Ｕブロック（Ｖブロック）の材質としてＳＣＭ４１５（ＪＩＳ）を用いた場合（白抜きグラフ棒で示す）においても、またＡ４０３２（ＪＩＳ）を用いた場合（斜線を施したグラフ棒で示す）においても、上記（１）（２）（３）の他の方法に比べて格段に優れた耐焼付き性を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明が適用されるピストンピンの一例を示す縦断面図である。
【図２】図２は上記ピストンピンにショットピーニングを施す状況を示す概念図である。
【図３】図３は本発明の耐焼付性向上処理が施されたピストンピンの摺動面の状態を示す外観写真である。
【図４】図４は本発明の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
１…ピストンピン、２…芯棒、３…ノズル、４…ピーニング材。

Claims (5)

1. 鉄鋼基材の摺動面を浸炭処理する第１の工程と、浸炭処理された上記摺動面にクロムメッキを施す第２の工程と、クロムメッキが施された上記摺動面に衝撃を与えて該摺動面にクロムメッキ層の微小凹部と該クロムメッキ層の剥落による比較的大きな凹部とからなる油溜り凹部を形成する第３の工程とを含むことを特徴とする鉄鋼基材の摺動面の耐焼付性向上方法。
2. 前記微小凹部の大きさが５μｍ以下であり、前記比較的大きな凹部の大きさが５μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１記載の鉄鋼基材の摺動面の耐焼付性向上方法。
3. 前記衝撃がショットピーニングにより行われることを特徴とする請求項１記載の鉄鋼基材の摺動面の耐焼付性向上方法。
4. 前記ショットピーニングのピーニング材としてガラスビーズを用いることを特徴とする請求項３記載の鉄鋼基材の摺動面の耐焼付性向上方法。
5. 前記ガラスビーズの粒径が＃１２０ないし＃２４０であり、前記ショットピーニングが、空気圧４．０ないし５．０ｋｇｆ／ｃｍ^２、投射距離２０ないし５０ｍｍで行なわれることを特徴とする請求項４記載の鉄鋼基材の摺動面の耐焼付性向上方法。

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